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出版者:中央广播电视大学出版社

作者:王秀坤

出品人:

页数:257

译者:

出版时间:1994

价格:18.6

装帧:

isbn号码:9787304010454

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《计算机图形学基础与实践》 书籍简介 本书全面系统地介绍了计算机图形学领域的基础理论、核心算法以及在实际工程中的应用。它旨在为读者构建一个坚实的理论框架，并提供动手实践的指导，使读者能够深入理解并掌握现代图形系统的构建与运行机制。 第一部分：图形学基础与数学原理 (Foundation and Mathematical Principles) 本部分为后续内容奠定坚实的数学和理论基础。 第1章：图形学概述与历史沿革 本章首先界定计算机图形学的范畴、研究目标及其在现代信息技术中的地位。我们将追溯图形学从早期的绘图仪技术到现代实时渲染管线的发展历程。重点讨论光栅图形学与向量图形学的核心区别，以及人机交互（HCI）在图形学应用中的作用。同时，介绍当前图形学领域的主要研究热点，如实时光线追踪、体积渲染和神经渲染的初步概念。 第2章：几何表示与变换 (Geometric Representation and Transformations) 本章深入探讨如何在计算机中准确、高效地描述三维对象。内容涵盖： 曲线与曲面表示： 详细阐述参数曲线（如Bézier曲线、B-样条、NURBS）的数学定义、控制点权重和局部/全局性，并对比它们的优缺点。在曲面部分，着重讲解T-Junctions的处理和曲面细分算法。 三维几何体表示： 对比多边形网格（Polygon Mesh）、体素（Voxel）、隐式曲面和点云（Point Cloud）的存储结构、拓扑关系和数据冗余问题。 线性代数基础： 复习并强化在图形学中至关重要的向量代数、矩阵运算，特别是平移、旋转（欧拉角、四元数）和缩放变换。重点分析齐次坐标系的应用，以及如何通过矩阵乘法实现复杂的几何变换组合。 第3章：坐标系与视图变换 (Coordinate Systems and Viewing Transformations) 本章详细解析图形渲染流程中至关重要的坐标系转换过程。内容包括： 局部坐标系、世界坐标系、观察坐标系（相机空间）： 定义这些坐标系之间的关系和转换矩阵的构建。 投影变换： 深入分析正交投影（Orthographic Projection）和透视投影（Perspective Projection）的原理和矩阵推导。讲解如何通过投影矩阵将三维空间信息映射到规范的裁剪空间（Canonical View Volume）。 视口变换（Viewport Transformation）： 如何将标准化的设备坐标（NDC）准确映射到屏幕像素坐标。 第二部分：光栅化与渲染流水线 (Rasterization and The Rendering Pipeline) 本部分是现代实时图形系统的核心，关注如何将几何数据高效地转换为屏幕上的像素。 第4章：扫描转换算法 (Scan Conversion Algorithms) 本章专注于将矢量图形元素转换为离散像素的过程： 直线扫描转换： 详述中点画线算法（Bresenham’s Line Algorithm）的效率和原理。 圆和多边形填充： 讲解基于边缘函数（Edge Function）的扫描转换，以及如何处理复杂的凹多边形填充问题，包括奇偶规则（Even-Odd Rule）和非零环绕数（Non-Zero Winding Rule）。 第5章：深度缓冲与隐藏面消除 (Depth Buffering and Hidden Surface Removal) 本章探讨在三维场景中确定哪些物体是可见的，以及如何管理深度信息： Z-Buffer 算法： 详细分析Z-Buffer的工作机制、精度问题（近/远裁剪面问题）及其在现代GPU中的实现。 画家算法（Painter's Algorithm）： 分析其局限性（需要对图元进行排序）以及在特定场景下的适用性。 遮挡剔除（Occlusion Culling）： 介绍硬件加速的遮挡查询技术，如层次Z-Buffer（HZB）和Hi-Z技术。 第6章：纹理映射与滤波 (Texture Mapping and Filtering) 纹理是赋予物体表面细节和真实感的重要手段。本章涵盖： 纹理坐标与映射： UV坐标系的建立，以及将二维纹理映射到三维表面上的过程。 纹理寻址模式： 讲解纹理的重复（Wrap）、钳制（Clamp）、镜像（Mirror）等边界处理方式。 纹理滤波： 深入对比最近邻插值（Nearest Neighbor）和双线性插值（Bilinear Interpolation），并引入三线性插值（Trilinear Interpolation）和各向异性过滤（Anisotropic Filtering）以提高放大和倾斜纹理的质量。 第7章：光照与着色模型 (Illumination and Shading Models) 本章是实现逼真视觉效果的关键： 局部光照模型（Local Illumination）： 详述Phong模型（环境光、漫反射、镜面反射）的数学表达式和参数设置。探讨Blinn-Phong模型的优化。 全局光照概念： 引入辐射度（Radiosity）和光线追踪（Ray Tracing）的概念，作为对局部光照的补充。 着色方法： 对比顶点着色（Flat Shading）、面向片元的着色（Gouraud Shading）和Phong着色，分析它们的计算成本和视觉效果差异。 第三部分：高级渲染技术与实践 (Advanced Rendering Techniques and Practice) 本部分聚焦于现代实时渲染流水线中的关键技术，并结合实际编程环境进行指导。 第8章：图形管线与可编程着色器 (The Graphics Pipeline and Programmable Shaders) 本章将现代GPU架构下的图形渲染过程系统化： 固定功能管线到可编程管线： 阐述从早期固定功能硬件到可编程顶点、几何和像素着色器的演变。 顶点着色器（Vertex Shader）： 讲解其功能——执行几何变换、计算光照参数的准备工作、传递数据到后续阶段。 像素/片元着色器（Fragment/Pixel Shader）： 深入讲解像素着色器的核心任务——纹理采样、最终光照计算和颜色输出。介绍延迟着色（Deferred Shading）的基本思想。 第9章：高级光照与材料模型 (Advanced Illumination and Material Models) 为追求更高的真实感而设计的技术： 法线贴图与凹凸贴图： 解释如何通过存储在纹理中的法线信息来模拟表面细节，而无需增加几何复杂度。 高动态范围渲染（HDR）与色调映射（Tone Mapping）： 讨论人眼对亮度范围的感知局限性，以及如何使用浮点精度缓冲和色调映射算法将场景中的高亮度值转换为可显示的LDR图像。 基于物理的渲染（PBR）： 介绍PBR的核心理念，如能量守恒、微表面模型（如GGX分布函数）在金属和非金属材质中的应用。 第10章：几何处理与细分 (Geometry Processing and Tessellation) 本章关注如何在不增加手动建模工作量的情况下，提高模型的几何细节： 细分曲面（Tessellation）： 重点讲解GPU硬件支持的细分阶段（Hull Shader和Domain Shader），如何根据观察距离动态生成高分辨率网格，实现视点相关的细节层次（LOD）。 剪裁与剔除： 详述视锥体裁剪算法（如Cohen-Sutherland和Liang-Barsky），以及背面剔除（Back-Face Culling）在提高渲染效率中的作用。 第11章：计算机图形学实践与API 本章将理论知识与主流图形API相结合，提供实际操作指南： 图形API概览： 简要介绍OpenGL/WebGL和DirectX/Vulkan的设计哲学和主要区别。 初始化与资源管理： 讲解如何设置渲染上下文、加载几何数据（VBO, VAO）和管理纹理资源。 事件处理与用户输入： 探讨如何集成键盘、鼠标和游戏手柄输入，以实现场景导航和交互控制。 附录 A：四元数详解 附录 B：GPU编程基础概念 本书内容结构严谨，从基础的几何变换过渡到复杂的基于物理的渲染技术，旨在培养读者扎实的理论功底和解决实际图形问题的能力。

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坦率地说，当我翻到中间涉及数组和记录类型的那几章时，我个人的学习热情一度降到了冰点。不是书写得不好，而是Pascal语言本身在处理复杂数据结构时的表达方式，对于习惯了现代高级语言的简洁性的读者来说，会显得有些冗长和刻板。比如，定义一个包含多层嵌套记录的复杂结构时，Pascal那种严格的声明要求，对比Python或Java的动态灵活，显得束缚感很强。我记得为了理解指针的概念，我反复看了好几遍教材里关于内存地址和引用传递的插图，那些图示虽然准确，但总觉得缺少一些直观的动态演示。 尤其是在进行字符串处理时，Pascal的字符数组操作总需要手动管理边界和长度，这在实际应用中极易出错，教材里虽然提到了这些陷阱，但提供的解决方案往往是额外的、相对笨拙的循环嵌套。这让我开始疑惑，为什么我们要用这么“费劲”的语言来解决相对简单的问题？当然，事后看来，正是这种“费劲”的训练，迫使我们必须对内存分配和数据布局有更深层次的理解，这无疑是对我们底层逻辑思维的磨炼。但当时阅读体验上，确实是需要极大的毅力和耐心才能啃下来的硬骨头。

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这本书的特色之一，也是最让我感到欣慰的地方，在于它对算法的严谨性进行了深入的探讨。与其他只关注语法实现的编程书不同，《PASCAL语言程序设计》似乎更偏向于计算机科学的核心理论。它在介绍完基本数据结构后，立即引入了排序和搜索算法的Pascal实现。而且，它不仅仅是给出了代码，更重要的是，作者花费了大量篇幅来分析每种算法的时间复杂度和空间复杂度，并用数学符号和图形化的方式展示了效率的差异。 例如，讲解快速排序时，书中不仅展示了如何用Pascal实现递归调用，还详细分析了“枢轴选择”对性能的影响，甚至对比了冒泡排序和插入排序在不同数据规模下的性能曲线。这种理论与实践紧密结合的写法，让我明白，编程不仅仅是让程序跑起来，更重要的是让它“高效地”跑起来。对于那些未来打算从事算法研究或系统底层开发的人来说，这本书提供的这种理论深度，是许多速成式教材所无法比拟的宝贵财富。它教会了我批判性地看待代码的效率，而不是盲目地接受任何可运行的解决方案。

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从整体阅读体验来看，这本书的叙事风格是极其内敛和克制的，给人一种“老学究”式的信赖感。它的排版虽然略显拥挤，大量使用了黑体和等宽字体来强调代码块，显得不够“现代”，但这种布局的好处是信息密度极高，每一页都有扎实的干货，很少有注水的内容。我记得我第一次尝试独立完成书中所有练习时，不得不时常停下来，对照书中的解释反复推敲一两个逻辑跳跃点，这是一种强迫自己慢下来的阅读过程。 这本书对错误处理机制的讨论也十分到位，它强调了“防御性编程”的思想，教导我们如何使用 `TRY-EXCEPT` 结构（在后续版本中更明确）来优雅地处理运行时可能出现的异常。这种对健壮性的关注，在我后来的专业学习中被反复强调。总的来说，阅读《PASCAL语言程序设计》的过程，与其说是学习一门语言，不如说是一次严格的、逻辑严密的思维训练。它可能不是最有趣、最容易上手的教材，但它无疑是最能打下坚实基础的“地基”之作，让后来学习其他语言时，总能回想起它所建立的清晰结构概念。

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对于一个工具书或者教材来说，配套资源的质量至关重要。我能清晰地回忆起，这套教材附带的光盘（是的，那个年代还用光盘）质量非常高，里面包含了所有课后习题的参考答案和一些进阶的实验项目代码。但更有价值的是，那上面提供的编译器配置指南。Pascal在不同操作系统和硬件平台上的配置过程，往往是新手放弃编程的主要原因之一。 这本书详尽地列举了DOS环境下Turbo Pascal的安装步骤，以及如何在新兴的Windows 95/98环境下搭建兼容环境。这种与时俱进（至少在当时是）的实用性指导，帮我省去了无数在论坛和BBS上求助的时间。此外，书中的附录部分对Pascal语言标准和一些不常用但功能强大的内置函数进行了梳理，虽然我当时用得不多，但那种“应有尽有”的完整感，让这本书更像是一本可以长期保留的参考手册，而不是一本读完就束之高阁的入门读物。它提供的不仅仅是知识，更是一整套解决问题的环境支持。

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这本《PASCAL语言程序设计》的教材，我拿到手的时候，首先映入眼帘的是它那朴实无华的书封设计，没有过多花哨的图形或者夺目的色彩，透着一股老派的学术气息。我记得我当时是大学二年级刚接触程序设计，对编程的概念还非常模糊，这本书的引入方式简直是教科书级别的“慢热”。它没有一上来就抛出一大堆复杂的代码和晦涩的编译原理，而是花了大篇幅来讲解“结构化程序设计”的理念，这对于我们这些初学者来说，是非常关键的基础铺垫。 记得书中对变量、数据类型以及控制结构（比如IF-THEN-ELSE，WHILE循环）的讲解，都配有非常详尽的流程图和伪代码的对照。这种多维度的解释方式，极大地降低了初学者的理解门槛。我印象特别深的是关于过程（Procedure）和函数（Function）的部分，作者似乎非常强调代码的模块化和重用性，举的例子都是生活化且容易理解的场景，而不是那种脱离实际的数学难题。比如，书中用一个模拟图书馆借阅系统的例子，把一个复杂的任务拆解成若干个可以独立调用的子程序，让我们真切体会到模块化编程带来的逻辑清晰度。那种感觉就像是，你原本面对的是一堆散乱的积木，这本书却提供了一份清晰的蓝图，告诉你如何把它们搭建成一座稳固的建筑。它确实教会了我们如何“思考”程序设计，而不仅仅是“编写”代码。

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